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細(xì)菌視紫紅質(zhì)Bacteriorhodopsin（bR）是嗜鹽桿菌細(xì)胞膜上充當(dāng)能量轉(zhuǎn)換開關(guān)的跨膜蛋白，通過其質(zhì)子泵功能可實現(xiàn)從光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。自1975年首次獲得晶體結(jié)構(gòu)以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，bR的結(jié)構(gòu)解析越來越精細(xì)。但由于測量方法的不同，bR的結(jié)構(gòu)，特別是其在非螺旋區(qū)的結(jié)構(gòu)，不同方法存在很大不同。此外，bR的細(xì)胞質(zhì)側(cè)和細(xì)胞外側(cè)表面結(jié)構(gòu)動力學(xué)對光循環(huán)中質(zhì)子的釋放和攝取至關(guān)重要。傳統(tǒng)的生物物理學(xué)手段，包括電子和X射線晶體學(xué)，對剛性的膜蛋白結(jié)構(gòu)比較敏感，對于超快的結(jié)構(gòu)過程，這兩者都缺乏足夠的時間分辨率。此外，實驗上很難實現(xiàn)在合理的時間和空間分辨率下直接探測構(gòu)象的快速動態(tài)轉(zhuǎn)換。二維紅外光譜方法由于具有亞皮秒的時間分辨率和化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)分辨率，可以揭示分子的動態(tài)結(jié)構(gòu)分布及其動力學(xué)。因此，發(fā)展基于二維紅外光譜的新方法有望解決bR結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的這些挑戰(zhàn)性問題。  

在國家自然科學(xué)基金委的大力支持下，化學(xué)所分子反應(yīng)動力學(xué)實驗室王建平課題組與華東師范大學(xué)大學(xué)的合作者通過生物合成的方法對bR上的賴氨酸進(jìn)行了¹³C，¹⁵N同位素標(biāo)記，創(chuàng)建了一個位點(diǎn)特異性的酰胺-I波段振動特征（骨架羰基的振動）網(wǎng)絡(luò)來識別標(biāo)記殘基對酰胺-I帶的激子能帶結(jié)構(gòu)的頻率貢獻(xiàn)，指認(rèn)了紅外差譜中酰胺-I帶高頻1693 cm^–1的吸收為來自賴氨酸K159的骨架羰基，并通過局部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的分析，確認(rèn)了K159位于一段溶劑暴露程度較高的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)上，該指認(rèn)得到了二維核磁的支持，并且與天然紫膜中得到的電子衍射局部結(jié)構(gòu)一致。從這項工作中得出的K159的局部結(jié)構(gòu)特性可以用來很好地認(rèn)識電子晶體學(xué)、X射線晶體學(xué)以及核磁共振所觀察到的結(jié)構(gòu)差異。同時，該研究強(qiáng)調(diào)了轉(zhuǎn)角的存在有助于穩(wěn)定bR中E-F螺旋之間的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，從而協(xié)助E161在光循環(huán)的質(zhì)子攝取過程中發(fā)揮重要作用。該研究提出了一種利用同位素標(biāo)記的探針在天然狀態(tài)下檢測蛋白質(zhì)局部結(jié)構(gòu)的研究方法，為跨膜螺旋蛋白結(jié)構(gòu)與功能的研究提供了新思路。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. （2022, 144, 22083–22092）上，第一作者為博士研究生胡溶，通訊作者為化學(xué)所王建平研究員和華東師范大學(xué)趙欣教授。 

圖. 超快二維紅外光譜探測同位素標(biāo)記的bR的位點(diǎn)特異性結(jié)構(gòu)和動力學(xué)